Jousituksen jouset: pyöräjäykkyys, ilmajärjestelmät ja joustovara

Jouset kannattelevat ajoneuvoa ja varastoivat energiaa pyörien liikkuessa koriin nähden. Vaikutus renkaalla riippuu jousen jäykkyydestä, asennusgeometriasta, rengasjäykkyydestä, kallistuksenhallinnasta, lisärajoittimista ja käytettävissä olevasta joustovarasta.

Jousijäykkyys ja pyöräjäykkyys

Ihanteelliselle lineaariselle jouselle:

F = k × x

F on voima newtoneina, k jousijäykkyys yksikössä N/m ja x taipuma metreinä. Taipumaan x varastoitunut elastinen energia on:

E = ½kx²

Todellista jousitusta kuvataan yleensä pyörän kohdalta. Jos jousen liike on osuus r pyörän liikkeestä, yksinkertainen kitkaton likiarvo antaa:

kᵥ ≈ kₛ × r²

Tässä kᵥ on pyöräjäykkyys ja kₛ komponentin jousijäykkyys. Neliö on tärkeä: jousen siirtäminen sisemmäksi tai vipusuhteen muuttaminen voi muuttaa pyöräjäykkyyttä paljon muuttamatta jousta. Liikesuhde voi myös muuttua joustoliikkeen aikana ja tuottaa geometrista progressiivisuutta.

Renkaan pystysuuntainen jäykkyys toimii sarjassa jousituksen kanssa, ja helat, kiinnikkeet, kallistuksenvakaajat ja rajoittimet lisäävät muita elastisia reittejä. Pelkkä jousijäykkyyden arvo ei siksi ennusta artikkelissa EV suspension overview kuvattua mukavuutta.

Kierrejouset

Useimmat teräsjousitetut sähköhenkilöautot käyttävät kierrejousia. Yksinkertaistetulle tiheäkierteiselle, pyöreälankaiselle jouselle:

k ≈ Gd⁴ / (8nD³)

G on materiaalin liukumoduuli, d langan halkaisija, n aktiivisten kierrosten määrä ja D kierteen keskihalkaisija. Päiden muoto, nousu, jännityskorjaukset, materiaali, valmistus ja pakkaus muuttavat todellista rakennetta, mutta kaava osoittaa pienten geometriamuutosten suuren vaikutuksen.

Vakiohalkaisijainen ja -nousuinen jousi voi olla työalueellaan lähes lineaarinen. Langan tai kierteen halkaisijan tai nousun muuttaminen voi kasvattaa jäykkyyttä, kun kierroksia poistuu asteittain toiminnasta. Epälineaarinen suunnittelu vaatii elementtilaskentaa ja fyysistä varmennusta, koska jännitykset, kosketus ja valmistus tekevät siitä monimutkaisemman kuin nimitys ”progressiivinen jousi” antaa ymmärtää. SAE: nonlinear design of passenger-vehicle coil springs

Kierrejouset ovat kompakteja ja kestäviä eivätkä tarvitse kompressoria, säiliötä tai paineilmaohjausta. Niiden staattinen jäykkyys ja vapaa pituus ovat kuitenkin kiinteitä. Suurelle kuormavaihtelulle suunnitellun auton on hyväksyttävä suurempi korkeuden muutos tai käytettävä tasonsäätöä.

Ilmajouset

Ilmajousi kantaa kuorman paineen vaikuttaessa teholliselle pinta-alalle:

F ≈ (pᵢ - pₐ) × A_eff

Sisäinen paine pᵢ, ympäristöpaine pₐ, tehollinen pinta-ala A_eff, suljettu tilavuus, palkeen geometria ja kaasun lämpötila muuttuvat liikkeen mukana. Ilmajousen voima on siksi epälineaarinen ja dynaaminen. Lämmönsiirto ja puristusnopeus vaikuttavat teholliseen jäykkyyteen.

Henkilöauton täydellinen ilmajousitus sisältää muutakin kuin palkeet. Siihen voi kuulua kompressori, kuivain, säiliö, venttiililohko, paine- ja korkeustunnistimet, putket, suodattimet, elektroninen ohjaus ja erillinen tai integroitu vaimennin. Mallinnuksessa ja testauksessa on huomioitava putket, venttiilit ja kompressori, kun tasonsäätöaika ja painevaste ovat tärkeitä. SAE: passenger-car air-suspension system modelling and validation

Ilmajousitus mahdollistaa kolme toisistaan erotettavaa toimintoa:

Automaattinen tasonsäätö lisää tai poistaa ilmaa palauttaakseen tavoitekorkeuden staattisen kuorman muututtua.
Valittava korkeus nostaa autoa maavaraa varten tai laskee sitä kulkuun, vakauteen tai aerodynamiikkaan liittyvistä syistä.
Muuttuva jousiominaisuus muuttaa painetta, tehollista tilavuutta tai kammioiden yhteyttä pyöräjäykkyyden muuttamiseksi.

Tasonsäätö on yleensä melko hidas korkeudenhallintatehtävä; se ei yksin tee jousituksesta täysin aktiivista.

Kammioiden määrä ja tehollinen tilavuus

Joissakin ilmajousissa venttiilit yhdistävät useita kammioita. Kammion avaaminen voi kasvattaa liikkeeseen osallistuvaa kaasutilavuutta ja sulkeminen pienentää sitä. Muuten samoissa oloissa suurempi tehollinen tilavuus yleensä pienentää paineen muutosta annetulla liikkeellä ja voi pienentää dynaamista jäykkyyttä. Palkeen pinta-ala, paine, venttiilikuristus ja lämpökäyttäytyminen merkitsevät, ettei kammiomäärä yksin ole suorituskykymittari.

Nykyinen Porsche Taycan on tuotantoesimerkki. Vakioalusta yhdistää kaksikammioiset ilmajouset, tasonsäädön ja kaksiventtiiliset mukautuvat vaimentimet. Kori voi laskea nopeudessa, mutta jousi ja vaimennin pysyvät erillisinä ohjauselementteinä. Porsche: Taycan two-chamber air suspension

Ilmajärjestelmät lisäävät massaa, kustannuksia, tiivisteitä ja paineilmavikoja. Toistuvat korkeusmuutokset voivat kuumentaa kompressoria, vuoto laskea yhden kulman ja kosteus sekä kylmä vaikuttaa toimintaan. Huollossa on noudatettava valmistajan ohjetta, koska paineeton palje voi vaurioitua auton laskiessa sen päälle.

Vääntösauvat, lehtijouset ja komposiitit

Vääntösauva on suora kiertymällä energiaa varastoiva jousi. Sen vipu määrää pyöränliikkeen ja kiertymän suhteen. Sauva voidaan pakata pitkittäin tai poikittain ja korkeudensäätö voi olla mekaanisesti helppoa, mutta pyöräntuenta ja vaimentimet tarvitaan erikseen.

Lehtijousi taipuu pituussuunnassa. Jäykässä akselissa se voi kannattaa koria ja välittää pitkittäisiä sekä sivuttaisia voimia, mikä vähentää osia. Lehtien välinen kitka, riipukegeometria ja kuormalle valittu jäykkyys voivat vaikeuttaa tyhjän auton mukavuutta, mutta paraboliset, komposiitti- ja monivaiherakenteet laajentavat mahdollisuuksia.

Komposiittijouset voivat vähentää massaa ja korroosiota, ja yksi poikittainen jousi voi palvella molempia pyöriä. Materiaalin anisotropia, vauriotarkastus, kiinnitykset ja vaihtostrategia on suunniteltava täsmälliseen käyttöön.

Kallistuksenvakaajat ja yhdistetyt jouset

Kallistuksenvakaaja on vasemman ja oikean jousituksen yhdistävä vääntöjousi. Kun molemmat pyörät nousevat yhdessä, ihanteellinen symmetrinen vakaaja pyörii vähäisellä kiertymällä. Toisen noustessa suhteessa toiseen se kiertyy ja lisää kallistusjäykkyyttä.

Näin akselien välistä kallistusjäykkyysjakaumaa voidaan muuttaa kasvattamatta pääjousia yhtä paljon. Jakauma vaikuttaa tasapainoiseen kaarrekäytökseen ja sivuttaisen kuormansiirron jakoon etu- ja takarenkaille.

Jäykkä passiivivakaaja kytkee pyörät myös yksipuolisessa töyssyssä. Irrotettavat vakaajat, aktiivinen kallistuksenhallinta ja hydrauliset tai pneumaattiset ristikytkennät muuttavat kytkentää, mutta ovat eri tekniikoita omine energia- ja vikaominaisuuksineen. Katso active suspension.

Sisään- ja ulosjouston rajoittimet sekä joustovara

Pääjousi ei ole liikealueen lopussa ainoa jousi. Sisäänjoustorajoitin lisää nopeasti kasvavan voiman puristusrajan lähellä. Nykyaikaiset elastomeerirajoittimet ovat säädettyjä osia, joiden muoto ja materiaali hallitsevat progressiivista jäykkyyttä, energian imeytymistä ja melua. SAE: progressive suspension bump-stop behavior

Ulosjoustorajoitin toimii vastaavasti täyden pidennyksen lähellä. Molemmat suojaavat osia ja muotoilevat ääritilakäytöstä, mutta jatkuva kosketus voi tuntua äkilliseltä tai keventää rengasta.

Käyttökelpoisessa liikevarassa on kaksi puolta:

Sisäänjoustovara ottaa vastaan tien nousut ja korin puristuksen.
Ulosjoustovara sallii pyörän seurata painanteita ja korin nousta.

Madallus ilman molempien säilyttämistä voi aikaistaa rajoitinkosketusta, muuttaa liikesuhteita ja suuntausta sekä siirtää vaimentimen väärään osaan iskua. Hyvin pehmeä nimellisjousi ei ole mukava, jos normaalikuorma käyttää tarvittavan liikevaran.

Kuorma, ominaistaajuus ja ajokorkeus

Lisäkuorma puristaa teräsjousta lineaarialueella likimäärin Δx = ΔF/k. Se muuttaa myös jousitettua massaa ominaistaajuussuhteessa. Matkustajat ja tavara voivat siten muuttaa korkeutta, suuntausta, valojen tähtäystä, joustovaraa ja korivastetta.

Ilmajärjestelmä voi palauttaa korkeuden painetta lisäämällä, mutta kuormattu ja tyhjä auto eivät muutu dynaamisesti samoiksi. Rengaskuorma, hitaus, vaimennustarve ja rakenteen taipuma muuttuvat yhä.

Ajokorkeus vaikuttaa myös vetoakselikulmiin, geometriaan ja aerodynamiikkaan. Väite madalluksen toimintamatkahyödystä vaatii ajoneuvokohtaisen näytön: vastus voi pienentyä, mutta suuntaus, jäähdytysvirtaus, pohjan maavara, kompressorienergia ja ohjausolosuhteet vaikuttavat.

Sähköautokohtaiset jousivalinnat

Akun massa ja pakkaus voivat rajoittaa vaihtoehtoja. Lattia-akku voi jättää vähän tilaa pitkille varsille tai syville jousipesille, ja akun suojaus vaatii riittävän maavaran ja sisäänjoustovaran. Suuri ero tyhjän, täyden ja vetokuorman välillä voi tehdä tasonsäädöstä houkuttelevan.

Lisämassan oikea teräsjousivaste ei ole automaattisesti ”jäykempi”. Myös liikesuhdetta, joustovaraa, progressiivisia rajoittimia, kallistusjakaumaa, vaimennusta, rengasrakennetta tai massan sijaintia voidaan muuttaa. Ilmajousituskaan ei ole automaattisesti pehmeämpi; tuloksen määräävät paine, tilavuus, männän muoto ja vaimennussäätö.

Mitä ostajan ja omistajan kannattaa tarkistaa

Selvitä ilmajousitusvarusteesta, tarjoaako se tasonsäädön, kuljettajan valitseman korkeuden, useita kammioita, mukautuvan vaimennuksen tai aktiivisen voimantuoton. Toiminnot ovat usein samassa paketissa mutta eivät synonyymejä.

Tarkista kaikissa jousituksissa toiminta todellisella pyöräkoolla ja odotetulla kuormalla. Etsi riittävä maavara, hallittu rajoitinkosketus, vakaa vetokorkeus ja pehmeä siirtymä pääjouselta rajoittimelle. Vanhan auton korkeusero voi johtua katkenneesta tai painuneesta jousesta, ilmavuodosta, korkeusanturista, helan esijännityksestä tai kolarivauriosta; syy on diagnosoitava eikä peitettävä suuntauksella.

Jouset määräävät voiman kasvun liikkeen mukana. Mukavuus ja hallinta syntyvät vasta, kun käyrään lisätään geometria, vaimentimet, renkaat ja joustovara.